一种激光高效大面积动态干涉加工装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于激光加工领域，公开了一种激光高效大面积动态干涉加工装置及方法，该装置包括整形激光输出组件，以及二维扫描组件、聚焦扫描场镜(6)和激光干涉系统(7)；激光干涉系统用于对激光进行衍射分光处理，得到包括至少两束第1级衍射激光在内的衍射激光，并对衍射激光的传输进行控制，使至少两束第1级衍射激光能够在目标区域重合进而发生光的干涉效应；该光的干涉效应能够用于在待加工工件(10)的目标加工区域上加工形成微纳结构。本发明专利技术通过对装置的激光干涉加工的原理、相应各组件的设置及配合工作关系等进行分析与设计，能够有效利用现有的振镜扫描组件控制激光干涉区域形成的位置，能够灵活、高效、经济地实现微纳结构的制备。

【技术实现步骤摘要】
一种激光高效大面积动态干涉加工装置及方法
本专利技术属于激光加工应用
，更具体地，涉及一种激光高效大面积动态干涉加工装置及方法，通过振镜等高效率的扫描装置控制干涉区域形成的位置，将激光干涉区域直接作用于材料表面，对材料表面进行高效率、低成本、灵活可控的微纳结构制备，尤其是亚微米级的周期性结构，并可广泛适用于各种电子材料及金属等常用材料。
技术介绍
在材料表面构建周期性微纳结构可以有效地改变材料表面的性能，如摩擦性能、光学性能、抗腐蚀性能、防污性能等，从而获得所需的减阻、陷光、耐腐蚀、防污垢或自清洁等表面功能，这在生物医学、航空航天、船舶制造、光伏发电、极端制造、微电子等领域具有巨大的应用潜力。传统机械方法制造表面周期性微纳结构的主要问题是加工效率极低，如单点金刚石车削，在材料表面加工微米量级的周期性条纹结构时，每平方厘米需要耗时30小时以上，而且成本昂贵。此外，由于该方法属于接触式加工，在材料表面具有一定的压力和摩擦力，很难用于超薄和超脆材料表面加工制作。激光加工具有高精度、高效率、柔性度高、非接触、材料适用范围广等优势，因而，常用于材料表面周期性微纳结构的制备，如激光扫描刻蚀、超快激光诱导、光刻、激光干涉等技术。激光扫描刻蚀一般采用扫描振镜和场镜，通过路径扫描的方式将聚焦后的激光对材料表面进行刻蚀加工，获得周期性结构。但受衍射限制，一般只能将激光聚焦到几微米至几十微米。因此，通过激光扫描刻蚀所能得到的结构周期只能达到微米量级，无法获得亚微米或者更小量级的周期性结构。超快激光诱导是利用超快激光在材料表面的诱导作用，形成与激光波长量级相当的周期性条纹结构，但所得条纹结构的周期、形貌、取向均具有随机性，无法实现良好的控制。并且，此方法的作用机理尚存在很大的争论，难以获得高质量的可控周期性微纳结构，因此目前尚不适用于产业化的应用。光刻技术一般利用光-化学反应原理方法，虽能进行大面积微纳结构的制备，但需通过图形掩模板等方式对材料表面涂覆的光敏材料进行选择性曝光，再通过化学腐蚀的方法，对材料表面进行选择性去除，以获得所需图形。该方法适用的加工材料有限，制造工艺复杂，灵活性差，对工艺水平及整体设备精度要求较高，而且使用的化学液会严重污染环境，一般用于单一结构的大批量产。激光干涉法一般是通过将两束或多束相干激光按某种固定的光路进行叠加，产生具有周期性光强分布的干涉区域，对材料表面涂覆的光敏材料进行曝光，再通过化学腐蚀方法，对材料表面进行选择性去除，制备周期性微纳结构。专利号为CN104176700A的专利技术专利公开了一种利用激光干涉制备微结构的方法，将光刻技术进行延伸，省略了光刻技术对掩模板的要求，但仍存在较多限制，包括制造工艺复杂，灵活性差，对工艺水平及整体设备精度要求较高，使用的化学液会严重污染环境等问题。采用激光干涉直接对工件表面进行刻蚀也是一种周期性微纳结构制备的手段，但需要将干涉用的激光束进行聚焦，提高干涉光斑的功率密度。因此，此种方法在材料表面形成的干涉光斑尺寸较小，在大面积微纳结构的制备中，需要通过移动加工工件表面，对干涉光斑进行逐个拼接，导致加工效率极低，且要求移动精度达到纳米量级，从而限制了此种方法的有效应用。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种激光高效大面积动态干涉加工装置及方法，其中通过对装置的激光干涉加工的原理、相应各组件的设置及配合工作关系等进行分析与设计，与现有微纳结构的制备工艺及装置相比，能够有效利用现有的振镜扫描组件控制激光干涉区域形成的位置，将激光干涉区域直接作用于材料表面，能够灵活、高效、经济地在各种常用材料表面实现微纳结构的制备，尤其适用于大面积制备亚微米量级周期性微纳结构。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种激光干涉加工装置，其特征在于，包括整形激光输出组件，以及依次沿光路设置的二维扫描组件、聚焦扫描场镜和激光干涉系统；其中，所述整形激光输出组件用于输出整形激光束，该整形激光束依次通过所述二维扫描组件和所述聚焦扫描场镜后记为激光束；所述激光干涉系统用于先对所述激光束进行衍射分光处理，得到包括至少两束第1级衍射激光在内的衍射激光，并对所述衍射激光的传输进行控制，使至少两束第1级衍射激光能够在目标区域重合进而发生光的干涉效应；该光的干涉效应能够用于在待加工工件的目标加工区域上加工形成微纳结构。作为本专利技术的进一步优选，所述激光干涉系统包括一维透射光栅、第一反射镜、第二反射镜和挡光板，其中，所述一维透射光栅所在平面垂直于所述激光束的入射方向，该一维透射光栅能够对所述激光束进行衍射分光，得到第0级衍射激光和两束第1级衍射激光；所述挡光板用于吸收所述第0级衍射激光；所述第一反射镜和所述第二反射镜相互平行且相对设置，这些反射镜的反射面均垂直于所述一维透射光栅的所在平面以及由两束第1级衍射激光所形成的平面，能够使这两束第1级衍射激光各发生1次反射，并使反射后的第1级衍射激光能够在目标区域重合。作为本专利技术的进一步优选，所述激光干涉系统包括一维透射光栅、第一反射镜、第二反射镜和挡光板，其中，所述一维透射光栅所在平面垂直于所述激光束的入射方向，该一维透射光栅能够对所述激光束进行衍射分光，得到第0级衍射激光和两束第1级衍射激光；所述挡光板用于吸收所述第0级衍射激光；所述第一反射镜和所述第二反射镜相互平行且相对设置，这些反射镜的反射面均垂直于所述一维透射光栅的所在平面以及由两束第1级衍射激光所形成的平面，能够使这两束第1级衍射激光各发生2次反射，并使反射后的第1级衍射激光能够在目标区域重合。作为本专利技术的进一步优选，所述激光干涉系统包括一维透射光栅、第一反射镜、第二反射镜和激光透射块，其中，所述一维透射光栅所在平面垂直于所述激光束的入射方向，该一维透射光栅能够对所述激光束进行衍射分光，得到第0级衍射激光和两束第1级衍射激光；所述第一反射镜和所述第二反射镜相互平行且相对设置，这些反射镜的反射面均垂直于所述一维透射光栅的所在平面以及由两束第1级衍射激光所形成的平面，能够使这两束第1级衍射激光各发生2次反射，并使反射后的第1级衍射激光能够在目标区域重合；所述激光透射块用于在不影响所述第0级衍射激光传输方向的前提下，补偿所述第0级衍射激光的光程，使所述第0级衍射激光能够在所述目标区域与所述第1级衍射激光重合、且与任意一束第1级衍射激光的光程相同。作为本专利技术的进一步优选，所述激光干涉系统包括二维透射光栅、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜和挡光板，其中，所述二维透射光栅所在平面垂直于所述激光束的入射方向，该二维透射光栅能够对所述激光束进行衍射分光，得到第0级衍射激光和四束第1级衍射激光；所述挡光板用于吸收所述第0级衍射激光；所述第一反射镜和所述第二反射镜为一组，相互平行且相对设置，这一组反射镜的反射面均垂直于所述二维透射光栅的所在平面以及由沿第0级衍射激光对称的两束第1级衍射激光所形成的平面，能够使这两束第1级衍射激光各发生2次反射，并使反射后的第1级衍射激光能够在目标本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光干涉加工装置，其特征在于，包括整形激光输出组件，以及依次沿光路设置的二维扫描组件、聚焦扫描场镜(6)和激光干涉系统(7)；其中，/n所述整形激光输出组件用于输出整形激光束，该整形激光束依次通过所述二维扫描组件和所述聚焦扫描场镜(6)后记为激光束(15)；/n所述激光干涉系统(7)用于先对所述激光束(15)进行衍射分光处理，得到包括至少两束第1级衍射激光在内的衍射激光，并对所述衍射激光的传输进行控制，使至少两束第1级衍射激光能够在目标区域重合进而发生光的干涉效应；该光的干涉效应能够用于在待加工工件(10)的目标加工区域上加工形成微纳结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种激光干涉加工装置，其特征在于，包括整形激光输出组件，以及依次沿光路设置的二维扫描组件、聚焦扫描场镜(6)和激光干涉系统(7)；其中，
所述整形激光输出组件用于输出整形激光束，该整形激光束依次通过所述二维扫描组件和所述聚焦扫描场镜(6)后记为激光束(15)；
所述激光干涉系统(7)用于先对所述激光束(15)进行衍射分光处理，得到包括至少两束第1级衍射激光在内的衍射激光，并对所述衍射激光的传输进行控制，使至少两束第1级衍射激光能够在目标区域重合进而发生光的干涉效应；该光的干涉效应能够用于在待加工工件(10)的目标加工区域上加工形成微纳结构。


2.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述激光干涉系统(7)包括一维透射光栅(11)、第一反射镜(12)、第二反射镜(13)和挡光板(14)，其中，所述一维透射光栅(11)所在平面垂直于所述激光束(15)的入射方向，该一维透射光栅(11)能够对所述激光束(15)进行衍射分光，得到第0级衍射激光和两束第1级衍射激光；所述挡光板(14)用于吸收所述第0级衍射激光；所述第一反射镜(12)和所述第二反射镜(13)相互平行且相对设置，这些反射镜的反射面均垂直于所述一维透射光栅(11)的所在平面以及由两束第1级衍射激光所形成的平面，能够使这两束第1级衍射激光各发生1次反射，并使反射后的第1级衍射激光能够在目标区域重合。


3.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述激光干涉系统(7)包括一维透射光栅(11)、第一反射镜(25)、第二反射镜(26)和挡光板(14)，其中，所述一维透射光栅(11)所在平面垂直于所述激光束(15)的入射方向，该一维透射光栅(11)能够对所述激光束(15)进行衍射分光，得到第0级衍射激光和两束第1级衍射激光；所述挡光板(14)用于吸收所述第0级衍射激光；所述第一反射镜(25)和所述第二反射镜(26)相互平行且相对设置，这些反射镜的反射面均垂直于所述一维透射光栅(11)的所在平面以及由两束第1级衍射激光所形成的平面，能够使这两束第1级衍射激光各发生2次反射，并使反射后的第1级衍射激光能够在目标区域重合。


4.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述激光干涉系统(7)包括一维透射光栅(11)、第一反射镜(25)、第二反射镜(26)和激光透射块(31)，其中，所述一维透射光栅(11)所在平面垂直于所述激光束(15)的入射方向，该一维透射光栅(11)能够对所述激光束(15)进行衍射分光，得到第0级衍射激光和两束第1级衍射激光；所述第一反射镜(25)和所述第二反射镜(26)相互平行且相对设置，这些反射镜的反射面均垂直于所述一维透射光栅(11)的所在平面以及由两束第1级衍射激光所形成的平面，能够使这两束第1级衍射激光各发生2次反射，并使反射后的第1级衍射激光能够在目标区域重合；所述激光透射块(31)用于在不影响所述第0级衍射激光传输方向的前提下，补偿所述第0级衍射激光的光程，使所述第0级衍射激光能够在所述目标区域与所述第1级衍射激光重合、且与任意一束第1级衍射激光的光程相同。


5.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述激光干涉系统(7)包括二维透射光栅(36)、第一反射镜(37)、第二反射镜(38)、第三反射镜(39)、第四反射镜(40)和挡光板(14)，其中，所述二维透射光栅(36)所在平面垂直于所述激光束(15)的入射方向，该二维透射光栅(36)能够对所述激光束(15)进行衍射分光，得到第0级衍射激光和四束第1级衍射激光；所述挡光板(14)用于吸收所述第0级衍射激光；所述第一反射镜(37)和所述第二反射镜(38)为一组，相互平行且相对设置，这一组反射镜的反射面均垂直于所述二维透射光栅(36)的所在平面以及由沿第0级衍射激光对称的两束第1级衍射激光所形成的平面，能够使这两束第1级衍射激光各发生2次反射，并使反射后的第1级衍射激光能够在目标区域重合；
所述第三反射镜(39)和所述第四反射镜(40)为另一组，相互平行且相对设置，这一组反射镜的反射面均垂直于所述二维透射光栅(36)的所在平面以...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓磊敏，段军，徐新科，熊伟，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42